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2020年12月05日 | MSP430单片机的时钟周期和机器周期与指令周期之间的关系

2020-12-05 来源:elecfans

时钟简介:

时钟周期也称为振荡周期:定义为时钟脉冲的倒数(时钟周期就是直接供内部CPU使用的晶振的倒数,例如12M的晶振,它的时钟周期就是1/12us),是计算机中的最基本的、最小的时间单位。在一个时钟周期内,CPU仅完成一个最基本的动作。时钟脉冲是计算机的基本工作脉冲,控制着计算机的工作节奏。时钟频率越高,工作速度就越快。机器周期:在计算机中,常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段,每一个阶段完成一项工作。每一项工作称为一个基本操作,完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。8051系列单片机的一个机器周期由6个S周期(状态周期)组成。一个S周期=2个时钟周期,所以8051单片机的一个机器周期=6个状态周期=12个时钟周期。指令周期:执行一条指令所需要的时间,一般由若干个机器周期组成。指令不同,所需的机器周期也不同。


MSP430

单片机上电后,如果不对时钟系统进行设置,默认800 kHz的DCOCLK为MCLK和SMCLK的时钟源,LFXTl接32768 Hz晶体,工作在低频模式(XTS=O)作为ACLK的时钟源。CPU的指令周期由MCLK决定,所以默认的指令周期就是1/800 kHz=“1”.25μs。要得到lμs的指令周期需要调整DCO频率,即MCLK=1 MHz,只需进行如下设置:BCSCTLl=XT20FF+RSEL2;//关闭XT2振荡器,设定DCO频率为1 MHz。


MSP430单片机的时钟周期和机器周期与指令周期之间的关系解析

DCOCTL=DCO2//使得单指令周期为lμs

MSP430的时钟周期(振荡周期)、机器周期、指令周期之间的关系

在430中,一个时钟周期 = MCLK晶振的倒数。如果MCLK是8M,则一个时钟周期为1/8us;一个机器周期 = 一个时钟周期,即430每个动作都能完成一个基本操作;一个指令周期 = 1~6个机器周期,具体根据具体指令而定。另:指令长度,只是一个存储单位与时间没有必然关系。 MSP430根据型号的不同最多可以选择使用3个振荡器。我们可以根据需要选择合适的振荡频率,并可以在不需要时随时关闭振荡器,以节省功耗。这3个振荡器分别为:

(1)DCO 数控RC振荡器。它在芯片内部,不用时可以关闭。DCO的振荡频率会受周围环境温度和MSP430工作电压的影响,且同一型号的芯片所产生的频率也不相同。但DCO的调节功能可以改善它的性能,他的调节分为以下3步: a:选择BCSCTL1.RSELx确定时钟的标称频率;

b:选择DCOCTL.DCOx在标称频率基础上分段粗调;

c:选择DCOCTL.MODx的值进行细调。

(2)LFXT1 接低频振荡器。典型为接32768HZ的时钟振荡器,此时振荡器不需要接负载电容。也可以接450KHZ~8MHZ的标准晶体振荡器,此时需要接负载电容。

(3)XT2 接450KHZ~8MHZ的标准晶体振荡器。此时需要接负载电容,不用时可以关闭。

低频振荡器主要用来降低能量消耗,如使用电池供电的系统,高频振荡器用来对事件做出快速反应或者供CPU进行大量运算。当然高端430还有锁频环(FLL)及FLL+等模块,但是初步不用考虑那么多。


MSP430的3种时钟信号:MCLK系统主时钟;SMCLK系统子时钟;ACLK辅助时钟。

(1)MCLK系统主时钟。除了CPU运算使用此时钟以外,外围模块也可以使用。MCLK可以选择任何一个振荡器所产生的时钟信号并进行1、2、4、8分频作为其信号源。

(2)SMCLK系统子时钟。供外围模块使用。并在使用前可以通过各模块的寄存器实现分频。SMCLK可以选择任何一个振荡器所产生的时钟信号并进行1、2、4、8分频作为其信号源。

(3)ACLK辅助时钟。供外围模块使用。并在使用前可以通过各模块的寄存器实现分频。但ACLK只能由LFXT1进行1、2、4、8分频作为信号源。

PUC复位后,MCLK和SMCLK的信号源为DCO,DCO的振荡频率默认为800KHZ。ACLK的信号源为LFXT1。


MSP430内部含有晶体振荡器失效监测电路,监测LFXT1(工作在高频模式)和XT2输出的时钟信号。当时钟信号丢失50us时,监测电路捕捉到振荡器失效。如果MCLK信号来自LFXT1或者XT2,那么MSP430自动把MCLK的信号切换为DCO,这样可以保证程序继续运行。但MSP430不对工作在低频模式的LFXT1进行监测。


为了实现具体的时钟可以设置跟时钟相关的寄存器,在低端430中是DCOCTL、BCSCTL1和BCSCTL2三个寄存器。而对于高端的430,则要考虑SCFI0、SCFQCTL、FLL_CTL0、FLL_CTL1和BTCTL等几个寄存器。


在实际应用时,如果要求系统跑得快些,时钟精准些,就设置成XT2一般是8MHz;如果没什么特别的要求,就用系统DCO提供的1M的频率,如果是要求低功耗或时间相关的时钟源,最好用32768Hz的外部晶振。


ACLK是辅助时钟,一般是低频的时钟,使用32768Hz的低频振荡或者12KHz的VLO。

MCLK是主时钟,给CPU提供,这个需要根据实际情况来,可以是DCO或者是HF的振荡器。

SMCLK是外设时钟,常用的是从DCO获取时钟源。

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  1. 问题:具有锁定功能的物体检测报警电路是如何工作的?
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  2. 问题:锁定功能是如何实现的?
    回答:锁定功能通常通过记忆电路或状态保持电路实现。当报警信号被触发后,这部分电路会保持一个高电平或低电平状态,使报警信号持续输出,直到接收到解除报警的外部信号(如断开开关)。这种设计可以防止短暂的遮挡或误触发导致的短暂报警,提高系统的稳定性和可靠性。

二、电路设计与实现相关问题

  1. 问题:在设计具有锁定功能的物体检测报警电路时,需要考虑哪些因素?
    回答:设计时需要考虑的因素包括检测灵敏度、报警响应时间、误报率、功耗、成本以及与其他系统的兼容性等。此外,还需要考虑电路的稳定性、可靠性和安全性,确保在各种环境条件下都能正常工作。

  2. 问题:如何降低电路的误报率?
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  1. 问题:这种电路在哪些领域有应用?
    回答:具有锁定功能的物体检测报警电路在多个领域都有广泛应用,如安防监控、工业自动化、智能家居等。在安防监控领域,它可以用于入侵检测、门窗防护等场景;在工业自动化领域,可以用于生产线上的物料检测、机器人避障等场景;在智能家居领域,则可以用于门窗传感器、人体存在检测等场景。

  2. 问题:如何对电路进行日常维护和故障排查?
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